CN108152249B - 检测自由液体中dna错配的光学生物传感器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明检测自由液体中DNA错配的光学生物传感器及方法，属于光学生物传感器技术领域；所要解决的技术问题是提供了检测自由液体中DNA错配的光学生物传感器及其方法；该方法的主要步骤为：在微流控芯片上设置一对相互平行的微流通道，分别为待测通道和参考通道，每个微流通道头部上方的盖板上设有两个注液口，发光装置从微流通道的开端对微流通道进行照射，光线穿过微流通道经过可调狭缝装置形成干涉条纹并通过光电转化单元进行接收，光电转化单元对干涉条纹进行光电转化后输入到信息处理单元，信息处理单元经过快速傅里叶变化法计算得到干涉条纹的相位；本发明可广泛应用于光学生物传感器领域。

Description

检测自由液体中DNA错配的光学生物传感器及方法
技术领域
本发明检测自由液体中DNA错配的光学生物传感器及方法，属于光学生物传感器技术领域。
背景技术
DNA序列中碱基错配以及基因位点的突变可能引发严重的生物学后果，这些小的改变可能是癌症的根源，或是一些疾病对于常规抗生素治疗不产生反应的原因，故实现对碱基错配DNA的精确、快速检测将极大促进疾病诊断、个体化治疗、基础生化研究等的发展。通过DNA杂化检测来分析和筛选DNA简单易行，是目前进行DNA筛查与基因探测的主要手段之一。其中无标记光学DNA传感系统，可直接测量生物分子相互作用，无需待测分析物具有荧光、特征吸收或散射带等特殊性质，能实现生物分子相互作用的实时反应动力学检测和定量分析，得到了国内外研究者的青睐。
目前针对DNA杂化实时检测与DNA突变与碱基错配的光学无标记光学检测DNA杂化方面也取得了极大进展，最近在表面等离子共振探测、基于光学微腔的无标记光学生物传感、利用无标记的Mach-Zehnder干涉仪分析DNA杂化反应动力学、基于光纤表面修饰的无标记DNA生物传感等各种传感检测方面有极大的发展。这些对DNA杂化进行探测的原理基本上都是采取目标检测物与波导表面倏逝波发生相互作用，使得光波在波导中的传播模式发生变化，通过检测这些物理量的变化来分析DNA杂化反应。倏逝波探测具有特异性强、灵敏度高、检测速度快、示踪物稳定、检测费用低廉等优点，但通常倏逝场渗入深度只有数十纳米，所以只能探测到位于倏逝场范围内的模式变化，对于离传感区表面较远的地方发生的生物反应没有响应，而且容易受波导表面污染（比如，杂质通过物理，化学或者生物等吸附方式吸附在波导表面）的影响。
发明内容
本发明检测自由液体中DNA错配的光学生物传感器及其方法，克服了现有技术存在的不足，提供了一种利用热光效应，通过测量干涉相位进行短链DNA错配检测的光学生物传感器及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：检测自由液体中DNA错配的光学生物传感器，包括发光装置、微流控芯片、可调狭缝装置、光电转化单元和信号处理单元，可调狭缝装置设置在微流控芯片和光电转化单元中间，光电转化单元与信号处理单元电相连；
发光装置用于向微流控芯片中的DNA样品发射单色光或白光；
微流控芯片包含一个或多个微流通道对，所述微流通道对用于作为杨氏干涉的干涉臂，每个微流通道对包括一对相互平行的微流通道，每一对微流通道中的一个微流通道作为待测通道，另一个微流通道作为参考通道；
可调狭缝装置用于使穿过DNA样品溶液的单色光或白光形成干涉条纹；
光电转化单元用于接收所述干涉条纹并进行光电转化后发送给所述信号处理单元；
信号处理单元用于根据光电转化单元的探测信号，得到微流控芯片两个微流通道内分别放入完全匹配DNA链和含有不同错配碱基数目的不完全匹配DNA链，经过杂化反应后的干涉条纹相位，并根据相位信号变化确定待测DNA的错配碱基个数。
进一步，所述微流控芯片包括底板和盖板，盖板与底板同形，所述微流通道设置在底板上，所述微流通道包括U型通道和直通道，U型通道底端的中心与直通道的开端相连，盖板上设置有入液口和出液口，入液口设置在U型通道的左右两个尖端的正上方，出液口设置在直通道的末端的正上方。
进一步，所述发光装置为单色激光器或白光LED灯。
进一步，所述DNA样品为短链DNA，长度不超过50个碱基对。
进一步，所述光电转化单元为线阵CCD或面阵CCD。
进一步，所述可调狭缝装置包括狭缝，狭缝的宽度与所述直通道的宽度相等。
一种检测自由液体中DNA错配的方法，包括如下步骤：
S10.在微流控芯片上设置一对相互平行的微流通道，分别为待测通道和参考通道，每个微流通道头部上方的盖板上设有两个注液口，发光装置从微流通道的开端对微流通道进行照射，光线穿过微流通道经过可调狭缝装置形成干涉条纹并通过光电转化单元进行接收，光电转化单元对干涉条纹进行光电转化后输入到信息处理单元，信息处理单元经过快速傅里叶变化法计算得到干涉条纹的相位；
S20.在微流控芯片内发生分别利用不同浓度、不同碱基对错配数的DNA溶液发生杂化反应，测量对应的干涉条纹相位，建立碱基对错配数和干涉条纹相位的标准工作曲线；
S30.将微流控芯片的测量通道内注入含有错配碱基对的DNA溶液待测样品，将完全匹配的DNA溶液注入参考通道，测量干涉条纹相位，根据所述标准工作曲线即可得到DNA待测样品的碱基对错配数目。
进一步，步骤S20包括如下步骤：
S21.将含有一个错配碱基对的单链DNA分子溶液与含有另一条单链DNA分子溶液同时分别从微流控芯片一侧的的两个入液口注入测量通道内，使其发生杂化反应。同时，作为参照，将相同浓度的完全匹配的单链DNA分子溶液分别从微流控芯片另一侧两个注液口注入参考通道，使其发生杂化反应，信息处理单元得到此时的干涉条纹相位φ1，计算出这两条微流通道中溶液的折射差率，利用溶液的热光效应,根据折射差率计算出两条微流通道内DNA杂化所放出的热量差；
S22.改变DNA溶液的浓度，重复步骤S21,信息处理单元得出不同的一系列干涉条纹相位φ2、φ3、…φn，并计算出不同的热量差，由此得到热量差与溶液浓度变化的关系曲线，得到检测单碱基错配的检测能力以及检测极限；
S23.在接近检测极限的溶液浓度下，改变错配碱基对的数目，重复步骤S21，信息处理单元得出不同的一系列干涉条纹相位，并计算出不同的热量差，得到热量差与错配碱基对的数目的关系曲线；
S24.利用步骤S22和步骤S23得到的两个关系曲线，计算得到不同浓度、不同错配碱基对数目的DNA溶液中错配碱基对数目和干涉条纹相位的标准工作曲线。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
1.本发明与现有波导倏逝波检测相比，可以检测自由液体中的短链DNA的错配碱基对数目，不需要将光耦合进波导，采用空间光探测设备简单，成本更加低廉。
2.本发明不需要将DNA固定在检测通道内，避免了固定DNA所需的前处理，极大地减少了实验步骤和样品前处理所需时间。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
图1为本发明检测自由液体中DNA错配的光学生物传感器的结构示意图。
图2为本发明中微流控芯片的底板的结构示意图。
图3为本发明中微流控芯片的盖板的结构示意图。
图4为本发明中微流控芯片剖视结构示意图。
图中，1-发光装置，2-微流控芯片，3-可调狭缝装置，4-光电转化单元，5-信号处理单元，21-底板，22-盖板，23-微流通道，221-入液口，222-出液口，231-U型通道，232-直通道。
具体实施方式
如图1所示，本发明检测自由液体中DNA错配的光学生物传感器，包括发光装置1、微流控芯片2、可调狭缝装置3、光电转化单元4和信号处理单元5，可调狭缝装置3设置在微流控芯片2和光电转化单元中间4，光电转化单元4与信号处理单元5电相连。
发光装置1用于向微流控芯片2中的DNA样品发射单色光或白光，DNA样品为短链DNA，长度不超过50个碱基对。发光装置1为单色激光器或白光LED灯。可调狭缝装置3用于使穿过DNA样品溶液的单色光或白光形成干涉条纹。光电转化单元4用于接收干涉条纹并进行光电转化后发送给信号处理单元。光电转化单元4为线阵CCD或面阵CCD。信号处理单元5用于根据光电转化单元4的探测信号，得到微流控芯片2两个微流通道23内分别放入完全匹配DNA链和含有不同错配碱基数目的不完全匹配DNA链，经过杂化反应后的干涉条纹相位，并根据相位信号变化确定待测DNA的错配碱基个数。
如图2到图4所示，微流控芯片2包含一个微流通道对，微流通道对用于作为杨氏干涉的干涉臂，每个微流通道对包括一对相互平行的微流通道23，每一对微流通道中的一个微流通道23作为待测通道，另一个微流通道作为参考通。微流控芯片2包括底板21和盖板22，盖板22与底板21同形，微流通道23设置在底板21上，微流通道23包括U型通道231和直通道232，U型通道231底端的中心与直通道232的开端相连，盖板22上设置有入液口221和出液口222，入液口221设置在U型通道231的左右两个尖端的正上方，出液口222设置在直通道232的末端的正上方。可调狭缝装置3包括狭缝，狭缝的宽度与直通道232的宽度相等。
一种检测自由液体中DNA错配的方法，包括如下步骤：
S10.在微流控芯片上设置一对相互平行的微流通道，分别为待测通道和参考通道，每个微流通道头部上方的盖板上设有两个注液口，发光装置从微流通道的开端对微流通道进行照射，光线穿过微流通道经过可调狭缝装置形成干涉条纹并通过光电转化单元进行接收，光电转化单元对干涉条纹进行光电转化后输入到信息处理单元，信息处理单元经过快速傅里叶变化法计算得到干涉条纹的相位；
S21.将含有一个错配碱基对的单链DNA分子溶液与含有另一条单链DNA分子溶液同时分别从微流控芯片一侧的的两个入液口注入测量通道内，使其发生杂化反应。同时，作为参照，将相同浓度的完全匹配的单链DNA分子溶液分别从微流控芯片另一侧两个注液口注入参考通道，使其发生杂化反应，信息处理单元得到此时的干涉条纹相位φ1，计算出这两条微流通道中溶液的折射差率，利用溶液的热光效应,根据折射差率计算出两条微流通道内DNA杂化所放出的热量差；
S22.改变DNA溶液的浓度，重复步骤S21,信息处理单元得出不同的一系列干涉条纹相位φ2、φ3、…φn，并计算出不同的热量差，由此得到热量差与溶液浓度变化的关系曲线，得到检测单碱基错配的检测能力以及检测极限；
S23.在接近检测极限的溶液浓度下，改变错配碱基对的数目，重复步骤S21，信息处理单元得出不同的一系列干涉条纹相位，并计算出不同的热量差，得到热量差与错配碱基对的数目的关系曲线；
S24.利用步骤S22和步骤S23得到的两个关系曲线，计算得到不同浓度、不同错配碱基对数目的DNA溶液中错配碱基对数目和干涉条纹相位的标准工作曲线。
S30.将微流控芯片的测量通道内注入含有错配碱基对的DNA溶液待测样品，将完全匹配的DNA溶液注入参考通道，测量干涉条纹相位，根据标准工作曲线即可得到DNA待测样品的碱基对错配数目。
本发明的工作过程和原理如下：激光器发出的单色激光从基于杨氏干涉制成微流控芯片2一侧进入，从另一端射出，通过可调狭缝进入高速线阵CCD。微流控芯片2上制作两条微体积为μL量级的微流通道23作为杨氏干涉的两条干涉臂，将参考DNA链置于芯片的其中一条内，同时目标DNA链被引入另一条微流通道23内，以避免信号的相互串扰。当DNA杂化反应时，发生错配的DNA链与互补DNA链释放的热量差会导致两条微流通道的液体折射率不同，两条干涉臂之间产生光程差，在单色激光或白光照射下会发生杨氏干涉而产生干涉条纹，干涉条纹由高速线阵CCD采集，经过快速傅立叶变换法FFT提取干涉条纹的相位信息并进行处理，这些相位信息会随着DNA杂化反应的进行形成相位随时间变化的曲线，相位变化与单链DNA的长度和形状以及微流体流速相关。根据这个曲线不仅可以确定目标DNA的浓度，而且与已知参考DNA对比可以就分辨出互补DNA序列与非互补DNA序列，而且还可以确定DNA错配的数量。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (6)

1.一种检测自由液体中DNA错配的光学生物传感器，其特征在于：包括发光装置（1）、微流控芯片（2）、可调狭缝装置（3）、光电转化单元（4）和信号处理单元（5），可调狭缝装置（3）设置在微流控芯片（2）和光电转化单元中间（4），光电转化单元（4）与信号处理单元（5）电相连；
发光装置（1）用于向微流控芯片（2）中的DNA样品发射单色光或白光；
微流控芯片（2）包含一个或多个微流通道对，所述微流通道对用于作为杨氏干涉的干涉臂，每个微流通道对包括一对相互平行的微流通道(23)，每一对微流通道中的一个微流通道（23）作为待测通道，另一个微流通道作为参考通道；
可调狭缝装置（3）用于使穿过DNA样品溶液的单色光或白光形成干涉条纹；
光电转化单元（4）用于接收所述干涉条纹并进行光电转化后发送给所述信号处理单元；
信号处理单元（5）用于根据光电转化单元（4）的探测信号，得到微流控芯片（2）两个微流通道（23）内分别放入完全匹配DNA链和含有不同错配碱基数目的不完全匹配DNA链，经过杂化反应后的干涉条纹相位，并根据相位信号变化确定待测DNA的错配碱基个数；
其中，DNA样品为短链DNA，长度不超过50个碱基对，微流控芯片（2）包括底板（21）和盖板（22），盖板（22）与底板（21）同形，微流通道（23）设置在底板（21）上，微流通道（23）包括U型通道（231）和直通道（232），U型通道（231）底端的中心与直通道（232）的开端相连，盖板（22）上设置有入液口（221）和出液口（222），入液口（221）设置在U型通道（231）的左右两个尖端的正上方，出液口（222）设置在直通道（232）的末端的正上方。
2.根据权利要求1所述的检测自由液体中DNA错配的光学生物传感器,其特征在于:所述发光装置（1）为单色激光器或白光LED灯。
3.根据权利要求1所述的检测自由液体中DNA错配的光学生物传感器,其特征在于:所述光电转化单元（4）为线阵CCD或面阵CCD。
4.根据权利要求1所述的检测自由液体中DNA错配的光学生物传感器,其特征在于:所述可调狭缝装置（3）包括狭缝，狭缝的宽度与所述直通道（232）的宽度相等。
5.一种检测自由液体中DNA错配的方法，其特征在于包括如下步骤：
S10.在微流控芯片上设置一对相互平行的微流通道，分别为待测通道和参考通道，每个微流通道头部上方的盖板上设有两个注液口，发光装置从微流通道的开端对微流通道进行照射，光线穿过微流通道经过可调狭缝装置形成干涉条纹并通过光电转化单元进行接收，光电转化单元对干涉条纹进行光电转化后输入到信息处理单元，信息处理单元经过快速傅里叶变化法计算得到干涉条纹的相位；
S20.在微流控芯片内发生分别利用不同浓度、不同碱基对错配数的DNA溶液发生杂化反应，测量对应的干涉条纹相位，建立碱基对错配数和干涉条纹相位的标准工作曲线；
S30.将微流控芯片的测量通道内注入含有错配碱基对的DNA溶液待测样品，将完全匹配的DNA溶液注入参考通道，测量干涉条纹相位，根据所述标准工作曲线即可得到DNA待测样品的碱基对错配数目。
6.根据权利要求5所述的检测自由液体中DNA错配的方法，其特征在于步骤S20包括如下步骤：
S21.将含有一个错配碱基对的单链DNA分子溶液与含有另一条单链DNA分子溶液同时分别从微流控芯片一侧的的两个入液口注入测量通道内，使其发生杂化反应；同时，作为参照，将相同浓度的完全匹配的单链DNA分子溶液分别从微流控芯片另一侧两个注液口注入参考通道，使其发生杂化反应，信息处理单元得到此时的干涉条纹相位φ1，计算出这两条微流通道中溶液的折射差率，利用溶液的热光效应,根据折射差率计算出两条微流通道内DNA杂化所放出的热量差；
S22.改变DNA溶液的浓度，重复步骤S21,信息处理单元得出不同的一系列干涉条纹相位φ2、φ3、…φn,并计算出不同的热量差，由此得到热量差与溶液浓度变化的关系曲线，得到检测单碱基错配的检测能力以及检测极限；
S23.在接近检测极限的溶液浓度下，改变错配碱基对的数目，重复步骤S21，信息处理单元得出不同的一系列干涉条纹相位，并计算出不同的热量差，得到热量差与错配碱基对的数目的关系曲线；
S24.利用步骤S22和步骤S23得到的两个关系曲线，计算得到不同浓度、不同错配碱基对数目的DNA溶液中错配碱基对数目和干涉条纹相位的标准工作曲线。
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